СИБИРСКИЕ ФИЗИКИ РАЗОГРЕЛИ ПЛАЗМУ ДО 10 МЛН ГРАДУСОВ В ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКЕ

31.08.2016

Пресс-служба РАН уже сообщала ранее об этом событии в новостях 09.08. и 15.08.2016 года. Сейчас публикуются подробности этого эпохального научного достижения.

 

ЛОГОТИП РАН (jpg, 11 Kб)

СИБИРСКИЕ ФИЗИКИ РАЗОГРЕЛИ ПЛАЗМУ ДО 10 МЛН ГРАДУСОВ
В
 ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКЕ

 

Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук в экспериментах на газодинамической ловушке добились устойчивого нагрева плазмы до 10 млн градусов. Это очень существенный результат для перспектив управляемого термоядерного синтеза. Время удержания плазмы пока составляет миллисекунды.

Ученые начали рассматривать варианты создания термоядерного реактора на основе открытой ловушки.

Ученые намерены достичь приемлемых значений выхода энергии термоядерного синтеза для систем примерно 100 метров длиной. Это очень компактные системы. Термоядерный реактор на основе открытой ловушки, альтернативный ТОКАМАКУ, может быть создан в течение ближайших 20-30 лет.

Академическим ученым из Сибирского отделения РАН удалось создать горячую плазму с помощью электронно-циклотронного нагрева, что позволило отказаться от плазменных пушек и, тем самым, проводить эксперименты в более контролируемых условиях.

С уже достигнутыми параметрами плазмы такая система в частности, может использоваться для исследований в сфере материаловедения, поскольку дает большие потоки нейтронов.

Заместитель директора ИЯФ СО РАН А. Иванов отметил, что уже проведены исследования по взаимодействию плазмы со стенками реактора, получены рекордные значения плотности энергии на единицу площади. «Теперь мы знаем, как происходит эрозия пластин вольфрама», - сказал он.

Ученые считают, что разработанные в Институте прикладной физики Российской академии наук для ИЯФ СО РАН источники излучения - гиротроны будут перспективны для нагрева, что позволит достичь более высоких параметров плазмы.

Ранее в ИЯФ СО РАН заявляли о планах создания прототипа термоядерного реактора. Предполагается, что ИЯФ СО РАН разработает технический проект и технико-экономическое обоснование установки, после чего наступит этап переговоров с потенциальными партнерами из других стран.

Как сообщалось, разработка прототипа термоядерного реактора на основе газодинамической «многопробочной» ловушки ведется в рамках гранта Российского научного фонда. Продолжительность реализации программы — 2014-2018 годы, объем финансирования проекта за счет средств Российского научного фонда - 650 млн рублей.

Ранее ученые ИЯФ СО РАН получили рекордную температуру в 4,5 млн градусов (400 электрон-вольт) в газодинамической ловушке (ГДЛ), которая используется для удержания горячей плазмы в магнитном поле, в 2014 году эту температуру удалось повысить до 9 млн градусов.

 

ЛОГОТИП РАН (jpg, 11 Kб)

 

НАГРЕВ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ ДО 10 МИЛЛИОНОВ ГРАДУСОВ

 

На установке ГДЛ (рис. 1) была проведена серия успешных эксперимен­тов по электронно-циклотронному резонансному (ЭЦР) нагреву плазмы. Цель эксперимента заключалась в отработке сценария комбинированного нагрева плазмы нейтральными пучками (НИ) мощностью 5 МВт и ЭЦР нагрева мощ­ностью до 0,7 МВт, исследовании физических механизмов наблюдающейся при таком нагреве магнитогидродинамической неустойчивости плазмы и по­иске способов ее подавления.

Система ЭЦР нагрева на установке ГДЛ состоит из двух импульсных ги-ротронов с частотой 54,5 ГГц и измеренной на входе в плазму мощностью 300 и 400 кВт. Каждый из гиротронов запитан от специально разработанных высо­ковольтных источников питания, формирующих прямоугольный импульс вы­соковольтного напряжения амплитудой 70 кВ (при стабильности не хуже 0,5%), током до 25 А, длительностью до 3 мс. Излучение гиротронов подво­дится по отдельным закрытым квазиоптическим линиям и вводится в вакуум­ную камеру в окрестности двух магнитных пробок как показано на рис. 3.

Для создания оптимальных условий для ЭЦР нагрева требуется повыше­ние магнитного поля в отдельных катушках, расположенных вокруг области поглощения. Дополнительный ток, необходимый для реализации эффективно­го поглощения на противоположных концах ловушки, был получен за счет снижения магнитного поля в основном теле ловушки (с 0,35 до 0,27 Т в центре установки). Такое возмущение магнитной конфигурации привело к суще­ственному ухудшению удержания плазмы, в частности без ЭЦР нагрева тем­пература электронов снизилась с 250 эВ до 150 эВ.

В такой магнитной конфигурации было оптимизированы два сценария ЭЦР нагрева. Первый сценарий оптимизировался для повышения времени жизни горячих ионов, получающихся при захвате плазмой нагревных нейтральных пучков. Этот режим характеризовался поглощением излучения гиротронов почти по всему сечению плазмы, что приводило к увеличению температуры электронов во всём объёме плазмы.

РИСУНОК № 1 СО РАН (jpg, 111 Kб)

РИСУНОК № 2 СО РАН (jpg, 118 Kб)

Так как время жизни горячих ионов пропорционально температуре элек­тронов в степени 3/2, при ЭЦР нагреве значительно возрастало энергосодер­жание плазмы и поток нейтронов D-D синтеза, получающихся при столкнове­ниях между горячими ионами (рис. 4). Стабильный разряд в этом режиме уда­лось получить при мощности ЭЦР нагрева не превышающей 400 кВт. Элек­тронная температура на оси ГДЛ достигала 200 эВ.

Второй сценарий оптимизировался для получения максимальной элек­тронной температуры. В этом режиме основная часть СВЧ мощности, захва­ченной плазмой, поглощалась в узкой приосевой области. Поэтому при вклю­чении гиротронов за несколько сотен микросекунд формировался разряд с центральной температурой до 1 кэВ (рис. 5). Несмотря на то, что радиальный профиль температуры был сильно пикированным, баланс энергии показал, что удержание плазмы в приосевой зоне происходит в газодинамическом режиме, радиальный транспорт и классическая продольная (спитцеровская) электрон­ная теплопроводность при этом сильно подавлены. Измерения методом том-соновского рассеяния показали, что энергия перераспределяется между тепло­выми электронами, то есть речь идет именно об электронной температуре, а не об энергии, запасенной в «хвосте» энергичных электронов. В ходе этих экспе­риментов на установке ГДЛ была достигнута рекордная для открытых систем электронная температура в квазистационарном (-1 мс) разряде, при этом впервые параметры плазмы приблизились к значениям, сопоставимым с торо­идальными системами.

Это обстоятельство позволило нам сделать вывод о хороших перспекти­вах для термоядерных приложений на базе открытых ловушек. Для сравнения на рис. 6 приведен график, отражающий прогресс увеличения электронной температуры в экспериментах на установке ГДЛ за 25 лет существования установки.

Резкое и значительное увеличение электронной температуры при вклю­чении ЭЦР нагрева приводит к развитию МГД неустойчивости плазмы желоб-кового типа. Для подавления этой неустойчивости в стандартном разряде ГДЛ (без ЭЦР нагрева) используется метод «вихревого удержания». Он заключает­ся в том, что к периферии плазмы прикладывается постоянный электрический потенциал, заставляющий её вращаться в скрещенных электрическом и маг­нитном полях. Для эффективного подавления поперечных потерь при разви­тии желобковой неустойчивости прикладываемый радиальный потенциал должен быть сопоставим с температурой электронов. При сильном увеличе­нии температуры плазмы при ЭЦР нагреве это условие может нарушаться. Для решения этой проблемы был применён метод ступенчатого повышения радиального потенциала, отслеживающий увеличение температуры при вклю­чении ЭЦР нагрева. В результате удалось реализовать относительно устойчивый ЭЦР нагрев плазмы мощностью 700 кВт в течение времени, сопоставимо­го с полной длительностью разряда в установке.

Демонстрация разряда с рекордно высокой электронной температурой стала возможной за счет выработки оптимальных сценариев ЭЦ нагрева плаз­мы необыкновенной волной на первой гармонике в основном объеме ловушки. Этот результат дает надежную основу для создания реакторов ядерного синте­за на базе открытых ловушек, имеющих простейшую с инженерной точки зре­ния осесимметричную конфигурацию магнитного поля. Ближайшим приложе­нием таких реакторов может быть мощный источник нейтронов от реакции синтеза ядер дейтерия и трития, который необходим для решения ряда задач термоядерного материаловедения, а также управления подкритичными ядер­ными реакторами, включая устройства для уничтожения радиоактивных отхо­дов. Дальнейшее развитие этого подхода даст возможность рассматривать со­здание на основе открытых ловушек «чистого» термоядерного реактора, ис­пользующего малонейтронные или безнейтронные реакции синтеза.

Эксперименты на установке ГОЛ-3 по улучшению продольного удержания в отрытой ловушке

 

Полученные в результате многолетней работы параметры плазмы в уста­новке и появившиеся новые представления позволяют оценивать перспективы данной схемы удержания высокотемпературной плазмы гораздо более опти­мистично, чем это было до начала работ на ГОЛ-3 (рис. 2). Главным выводом является то, что основные процессы происходят на фоне достаточно высокого уровня турбулентности плазмы. Обнаружен новый тип неустойчивости в кон­цевых ячейках многопробочной ловушки, приводящий к более эффективному обмену между группами пролётных и запертых частиц в условиях малой плотности плазмы вблизи торцов.

Зависимость энергетического времени жизни от плотности плазмы (кото­рая, в силу ограничений в постановке эксперимента, измерена при той темпе­ратуре, которая получается для данной плотности) показывает в целом хоро­шее согласие с формулой многопробочного удержания. Однако оптимальная для удержания плотность оказывается существенно ниже классической, что может быть связано с аномальной частотой столкновений.

Экстраполяция результатов экспериментов на ГОЛ-3 к реакторным усло­виям показывает, что учёт новых коллективных эффектов делает концепту­альную модель реактора более простой и реализуемой с инженерной точки зрения. Реактор может быть стационарным, работать при β < 1 и иметь более компактные размеры.

РИСУНОК № 3 СО РАН (jpg, 51 Kб)

 

РИСУНОК № 4 СО РАН (jpg, 38 Kб)

РИСУНОК № 5 СО РАН (jpg, 40 Kб)

РИСУНОК № 6 СО РАН (jpg, 34 Kб)

 

©РАН 2020